结构优化在空间可展开天线中的应用及展望

空间可展开天线是航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术、面向增材制造的拓扑优化与点阵填充等先进轻量化设计技术的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,着重介绍近年来结构优化技术在空间可展开天线零部件结构优化和馈源阵支撑结构概念设计中的典型应用案例;最后,考虑未来空间超大口径及高精度可展开天线的设计需求,对先进轻量化设计技术的应用前景进行展望。结构优化技术与设计经验相结合,正在推动设计理念的创新,将成为先进航天器设计的核心工具和必备的标准流程。

大口径网面空间可展开天线结构撞击动力响应研究

在轨运行的大口径空间可展开天线可能会遭遇空间碎片的高速撞击,这严重威胁了星载天线的安全服役。为研究空间网面可展天线支承结构及抛物面索网在高速撞击时的动力响应,选用ANSYS/AUTODYN有限元软件,建立大口径空间网面可展开天线动力学撞击仿真模型,模拟天线展开锁定时遭遇2.5 mm~7.5 mm的空间碎片撞击的全过程动力响应。考虑1.0 km/s~15.0 km/s的撞击速度和不同撞击位置工况下,天线结构的整体动力响应、关键杆件及抛物面索网损伤状态以及结构整体变形性能。结果表明:空间可展天线结构受微小空间碎片撞击的结构响应过程可分为局部振动、拉索约束以及整体振动三个阶段,撞击点越靠近天线形心,结构响应越明显,结构的平均变形越大;随着撞击速度增大,可展天线的结构平均变形表现为先增加后减小趋势,当撞击速度大于12.5 km/s时,天线受撞击的影响区域逐渐缩小;空间可展天线受微小空间碎片高速撞击时整体形面变形不可忽视,可为后续天线结构防护及易损性分析提供参考。

大型空间可展开天线展开过程组合控制研究

针对大型空间可展开天线展开过程控制问题,基于奇异摄动理论将天线系统分解为慢变、快变两个子系统,提出一种将非线性PID控制和H∞鲁棒控制相结合的组合控制方法。慢变子系统采用非线性PID控制来控制刚性运动跟踪期望轨迹,快变子系统采用H∞控制抑制弹性振动,从而保证刚性、柔性状态输出同时达到要求。仿真结果表明:采用该方法可使弹性变形对本体运动的影响减小,在天线较好地跟踪期望轨迹展开的同时,有效地抑制了弹性振动,显著改善了系统的跟踪性能和稳定性能。

大型空间可展开天线动力学建模及仿真

大型空间可展开天线柔性大、非线性强,为了对其展开过程实施有效控制,动力学建模是首先要解决的问题。提出了将天线作为铰接的柔性曲线梁系统,进行基于柔性多体动力学分析的建模,物理模型离散化采用有限元方法,利用Lagrange方程建立动力学模型,进行动态响应分析。仿真结果表明,采用该方法建立的大型空间可展开天线的模型,能够准确的反映柔性天线系统宏观的大范围刚体运动与微观的弹性变形及其耦合作用;指出了展开过程中对高频弹性振动进行控制的必要性。

大型空间可展开天线技术研究

大型空间可展开天线设计是一项极具挑战性的任务,与传统天线设计相比在很多方面都有所不同。文章首先介绍了大型空间可展开天线的结构特点和分类,然后从应用业务、工作频段、发射时间、供应商和天线类型五方面总结了大型空间可展开天线的应用现状,展望了发展趋势。最后讨论了大型空间可展开天线设计的关键技术问题,包括机械、热、电和测试等技术,可供我国大型空间可展开天线的研究参考。

模块化空间可展开天线支撑桁架结构的热-结构分析

对模块化空间可展开天线支撑桁架结构进行空间热交变环境下的热-结构分析,为天线结构因热致变形影响形面精度和网面稳定性提供合理的防护建议。采用ANSYS APDL有限元软件建立了大口径模块化空间可展开天线支撑结构的精细化数值模型,基于已有试验分别验证了模块化可展开天线结构有限元建模和热分析模型的正确性;分析了在瞬态温度场作用下约束位置等参数对支撑桁架弦杆及拉索应力的影响和热致变形规律。研究结果表明:空间可展开天线结构的应力和变形随时间历程发展与瞬态温度场变化趋势基本一致;同一瞬态温度场下,天线结构中心模块拉索热应力最大,同圈模块的弦杆热应力幅值基本相同,其上弦杆热应力逐圈增大,而拉索热应力逐圈减小;天线结构热致变形在距离约束最远端处整体累计值最大,上层中心点处累计热致变形可达15 mm左右,对天线形面精度的影响不可忽略;将天线支撑桁架结构最外侧且距离结构中心最近的模块顶角和与相邻模块竖杆拼接处作为星载天线伸展臂约束时,天线结构的热致变形最小。将该处作为模块化空间可展开天线的展开支点,并建议对天线支撑结构表面采用涂刷隔热防护复合材料涂层等防护措施,以增加天线结构在太空极端环境的适应性,从而减小温度交变对天线整体形变和网面精度的影响。

一种空间可展开天线天基光学监视系统

为了大型可展开天线可靠、精准地在轨展开,研究了一种天基光学监视系统。通过该系统不但可以实时监测天线展开情况,还可以进行天线展开的动力学分析,为大型可展开柔性机构设计、异常发现与分析等提供必要信息。在分析系统任务特点的基础上,介绍了监视系统方案,包括相机方案、视频传输方案、图像处理及射频调制方案,并对运动目标图像检测识别技术以及展开动力学分析技术等系统关键技术进行研究,进行了运动目标图像识别试验和天线展开动力学分析试验。试验结果证明系统对天线靶标的运动识别以及靶标动力学分析有很好的效果,证明了该系统可以有效地完成大型可展开天线的监测任务。

多模块构架式空间可展开天线结构参数优化

为降低卫星天线的发射成本,提高天线的展开刚度,以多模块构架式空间可展开天线结构的质量和1阶固有频率为目标函数,基于误差反向传播(BP)神经网络和遗传算法对天线的结构参数进行了优化.运用ANSYS软件对支撑桁架的结构参数进行了数值模拟,得到了与设计变量对应的目标函数值;通过正交试验设计,构建了用于神经网络训练和检验的样本集;按照BP算法的基本思想,调整网络模型的参数,建立了用于优化的预测模型;采用分目标乘除法,将多目标优化问题转变成单目标优化问题;采用遗传算法进行了优化分析,得到了支撑桁架各杆件的设计参数.结果表明:该优化方法在降低天线质量的同时,使结构的刚度得到了提高,为天线的结构设计提供了参考.

空间可展开天线微重力环境模拟研究现状与展望

为满足我国深空探测、空间站建设、探月工程等重大航天工程对空间大型可展开天线等新型卫星有效载荷平台快速发展的要求,对国内外空间可展开天线微重力环境模拟方法进行了综述。分别对落塔法、抛物线飞行法、水浮法、气浮法和悬吊法等典型重力补偿方法的工作原理及优缺点进行了分析,综述了国内外在此领域的应用及技术发展情况,综合分析并比较了5种微重力模拟方法的技术特点及适用范围,结合我国航天科技中长期发展规划的需求,从大型化、高精度化、多样化、通用化、高保真化等方面,提出了未来可展开天线微重力模拟的发展趋势及方向,旨在为我国大型可展开天线及其微重力环境模拟方法的基础理论研究及工程应用提供借鉴与参考。

大型空间可展开薄膜反射面天线刚柔耦合动力学仿真

膜-梁混合结构的动力学仿真分析是工程应用中一个十分重要、但却极具挑战性的课题,目前国内外还没有十分有效的方法。本文基于能量原理和最小二乘法,发展了一种针对薄膜结构的新型弹簧-质点模型刚度系数求解方法,并将其与通用多体动力学仿真软件ADAMS结合,实现了大型空间可展开薄膜反射面天线刚柔耦合系统的动力学仿真,且准确求解出了薄膜应力。

空间大型可展开天线展开末瞬时速度控制研究

本文对可展开天线的展开末瞬时的速度控制进行了研究 ,在可展开天线的动力学建模、动力分析、系统辩识和控制系统设计等方面做了有益的尝试 ,给出了可展开天线展开末瞬时速度控制的一种智能控制方法。计算机数字仿真结果表明 :该控制系统能够满足控制要求 ,且具有良好的准确性、灵活性、适应性等。该方法也适于其他多柔体系统的末瞬时的速度控制。

基于智能结构的空间大型可展开天线H_∞振动控制

将智能结构应用到大型可展开天线的“在轨”振动控制中,使得结构紧凑,重量轻,控制效果好,并将H∞控制理论应用于控制系统的设计,采用平衡降阶处理方法设计控制器。算例仿真结果表明:所设计的大型可展开天线“在轨”振动控制智能结构系统具有良好的鲁棒性能,并能有效地抑制外界的干扰。这为大型可展开天线的在轨振动控制系统的设计提供了依据。

基于分割法的抛物面固面天线热变形抑制

为满足未来高分辨率微波遥感航天器对于大口径高形面精度的空间可展开天线的需求,提出了一种能有效降低偏馈固面天线在轨因热变形造成形面误差的新方法,即分割法。采用5 m口径的偏馈固面抛物面天线,分析了天线热变形对其电性能尤其是主波束效率的影响。对连续固面天线六点支撑下不同支撑位置对其热变形的影响进行了研究。在温差为200℃的均匀温度场下,分析了不同形状单胞的形面误差,随后确认采用正六边形作为分割单胞并对其形面误差与尺寸的关系进行了研究。研究了分割单胞的尺寸及排布方式对天线的形面误差及电性能的影响,并验证了分割单胞之间的缝隙对天线电性能的影响,最终确定分割方案。结果显示,分割后天线形面误差从500μm降低至5μm,主波束效率下降值从6.72%下降至1.77%。

柔性张拉薄膜可展开空间天线研究现状与发展趋势

柔性张拉薄膜可展开天线是将柔性电子、柔性薄膜材料、柔性结构和柔性展开技术融合创新的一种具有广泛应用前景的大型可展开空间天线,具有轻质、高展收比、高增益和波束灵活的特点,可有效满足遥感、通信、深空探测卫星的特殊需求。阐述了柔性张拉薄膜可展开天线的特点与研究现状;对空间薄膜天线研制的基础理论及综合测试方法进行了总结;结合具体工程问题,论述了大型可展开空间薄膜天线研制所需要解决的关键技术难题,并进一步分析了薄膜天线的技术发展趋势。

形面精度可调节的单层索网空间抛物面天线

大口径高形面精度的空间可展开天线是未来航天器天线的重要发展方向之一。提出了一种新型形面可调节的单层索网空间可展开天线。通过对单层索网进行静力平衡分析,给出了单层索网天线的内力计算方法,并基于能量法,建立了单层索网天线的形状预测理论模型,实现了单层索网天线的三步法找形方法。基于理论分析结果,建立了50 m口径的单层索网天线的有限元模型,通过有限元模型对建立的单层索网理论设计分析方法进行了验证,并验证了单层索网天线的形面精度及在轨调整的可行性。理论分析和有限元分析结果表明,单层索网天线拓扑构型简单,可通过改变天线中心轴的长度,实现天线形面的在轨调节。在100℃的均匀温差下,通过在轨形面调节,50 m口径单层索网天线的形面误差可降低至5 mm以下。

模块化可展开天线支撑机构运动学建模与分析

模块化可展开天线具有拓展性强、灵活性高、适应性好等特点,是满足未来可展开天线大口径发展趋势的一种较为理想的结构形式。为研究由六棱柱模块组成的可展开天线支撑机构多模块联动展开运动特性,提出一种多模块联动展开运动学建模方法。根据可展开天线的结构组成及展开原理,建立了可展开天线机构关键点的空间几何模型,基于机器人学中的D-H法和坐标变换等理论,分别建立了基本单元、单模块和多模块的运动学模型,最后采用MATLAB数值仿真软件,对运动学模型进行了验证及分析。结果表明:该运动学模型可以对多层模块的可展开天线机构进行运动学分析,各模块实现了协调联动、同步展开,同时该模型为机构的动力学特性分析、动力源配置及优化等研究提供了研究基础。

环形张拉式索网可展开天线创新设计与分析

空间可展开天线是未来建造天基、全球降雨雷达系统、空间太阳能电站、大型空间军事基础设施的关键部分。为了满足苛刻的运载条件以及特殊的任务需求,索网结构成为实现空间可展开天线大型化、轻重量与高收纳比的最佳结构方案之一。然而,随着天线口径的不断增大,为了保证较小的收拢体积和质量,需要一系列细长杆组成桁架结构为索网提供支撑边界。细长杆具有较大的抗拉压刚度,但抗弯曲刚度却很小。在索网预应力作用下,若细长杆受弯矩,则容易发生挠曲变形,使得天线设计精度下降问题。为此,基于张拉结构的思想,提出了一种环形张拉式索网可展开天线。针对该类天线,首先建立了结构分块式节点力平衡方程,实现索网结构与支撑结构预紧力分步计算,在此基础上提出了“以形找力”和“力形耦合”两种设计方法。最后通过数值仿真对所提出结构和方法进行了验证。结果表明,在考虑结构弹性变形时,结构依然具有很高的形面精度,为今后高精度索网可展开天线设计提供了一种新思路。

大型星载电子侦察天线结构技术的发展

介绍了国外大型星载电子侦察天线结构技术的发展概况，并分析了其今后的发展方向。

大型星载电子侦察天线结构概述

介绍了国外大型星载电子侦察天线结构的发展概况,并分析了其今后的发展方向。

多构型组合式模块化可展开天线机构设计与分析

针对空间可展开天线大口径、高收纳率、高结构利用率等迫切发展需求,提出一种多构型组合式模块化可展开天线机构。首先,阐述了机构的总体方案,分别从模块组合规则、肋单元展收原理等对结构进行了详细分析,并基于机构学基本理论对机构的自由度进行了计算;其次,根据机器人学理论分别建立了单模块与多模块的运动学模型,利用空间等包络圆法求解出各肋单元夹角间的关系;同时采用数值仿真软件对多模块联动过程中肋单元夹角的变化规律进行了研究,对建立的多构型组合式模块化机构运动学模型进行了验证及分析;最后对比了单构型与多构型组合式两类天线的结构利用率、收纳率等关键参数,并研制了一台六棱柱单模块原理样机,开展了展开功能试验与验证。仿真及试验结果表明:所提出的机构能够实现由收拢至展开态的运动变化,展开过程中机构无干涉、卡滞等问题;同时,提出的新构型方案不仅保留了模块化结构通用性好、易拓展等特点,还具有较高的收纳率和结构利用率,研究成果对于丰富和发展宇航空间机构基础理论,推动该型天线的工程应用等具有较高的参考价值和借鉴意义。